ETH-Zürich: 3D-Druck mit Glas

ETH-​Forscher stellten mithilfe eines 3D-​Druckverfahrens komplexe und hochporöse Glasobjekte her. Die Grundlage dafür ist ein spezielles Harz, das sich mit UV-​Licht härten lässt.

Immer mehr Materialien stehen mittlerweile für den 3D-Druck zur Verfügung. Unternehmen sowie Forscher sind dabei immer neue Möglichkeiten für die additive Fertigung zu entdecken. Glasobjekte sind zum Beispiel kompliziert mit 3D-​Druckverfahren herzustellen. Erst wenige Forschungsgruppen weltweit haben versucht, Glas mithilfe additiver Verfahren zu produzieren. Einige davon schufen Objekte, indem sie geschmolzenes Glas ausdruckten. Das hat den Nachteil, dass dafür sehr hohe Temperaturen und hitzebeständige Apparaturen nötig sind. Andere verwendeten pulverförmige Keramikpartikel, die sich bei Raumtemperatur drucken und später zu Glas sintern lassen. Allerdings war die Komplexität der daraus gefertigten Objekte bisher eher gering.

Nun haben jedoch Forscher der ETH Zürich einen neuen Methode für den 3D-Druck von Glas angewendet. Grundlage des neuen Verfahrens ist die Stereolithografie (SLA). Die Forscher David Moore, Lorenzo Barbera und Kunal Masania aus der Gruppe für Komplexe Materialien von ETH-​Professor André Studart entwickelten ein spezielles Harz. Dieses ist aus flüssigem Kunststoff und einem Siloxan zusammengesetzt. Darüber berichten sie in der jüngsten Ausgabe der Fachzeitschrift «Nature Materials».

Das Harz lässt sich mit einem kommerziell erhältlichen Stereolithografiegerät verarbeiten. Dabei werden UV-​Lichtmuster auf das Harz gestrahlt. Dort, wo das Licht auftrifft, wird das Harz hart. Dies geschieht deshalb, weil sich an den belichteten Stellen die beiden Harzkomponenten vollständig auftrennen: die Kunststoffmonomere formieren sich zu einem labyrinthähnlichen Polymergerüst, die Moleküle des Siloxans füllen die Zwischenräume des Labyrinths aus.

Ein Objekt kann so Schicht für Schicht aufgebaut werden. Dabei können die Forscher bei jeder Schicht verschiedene Parameter verändern, etwa die Porengrösse: Schwache Lichtintensität erzeugt grosse Poren, starke Einstrahlung kleine Poren.

Ebenfalls schichtweise verändern können die Forscher die Mikrostruktur des Objekts, indem sie dem Harz auch Borat oder Phosphat beimengen. Dadurch lassen sich Objekte herstellen, die aus verschiedenen Glastypen aufgebaut sind.

Einen so hergestellten Rohling müssen die Forschenden anschliessend bei zwei unterschiedlichen Temperaturen brennen: Bei 600 Grad Celsius, um das Polymergerüst zu verbrennen, und anschliessend bei rund 1000 Grad Celsius, um die Objekte zu Glas zu verdichten. Beim Brennen schrumpfen sie erheblich, werden aber transparent und hart wie Fensterglas.

Patent für den 3D-Druck mit Glas angemeldet

Derzeit sind mit diesem Verfahren hergestellte Objekte aus Glas noch sehr klein. Größere Objekte wie Flaschen oder Gläser können mit der Methode der ETH-Forscher nicht hergestellt werden. Dies war jedoch auch nicht das Ziel des Teams.

Ziel sei vielmehr gewesen, den Machbarkeitsnachweis zu erbringen, dass man mit einem 3D-​Druckverfahren Glasgegenstände von komplexer Geometrie herstellen. Reine Spielerei ist die neue Technik dennoch nicht. Die Forscher meldeten sie zum Patent an und verhandeln derzeit mit einem Schweizer Glaswarenhändler, der die Technologie in seinem Unternehmen einsetzen möchte.

Der Artikel basiert auf eine Pressemeldung des ETH Zürich.